Catégorie : Science

Mesure de la hauteur des fontaines de lave // Measuring the height of lava fountains

L’un des derniers épisodes de la série « Volcano Watch » publié par l’Observatoire des volcans d’Hawaii – le HVO – est consacré aux fontaines de lave et à la mesure de leur hauteur.
En raison de la pression accumulée par les gaz, le début d’une éruption est souvent la période la plus dynamique et la plus spectaculaire. L’une des premières missions des géologues est de mesurer la hauteur des fontaines de lave et la dimension des bouches éruptives pour essayer d’évaluer l’énergie émise par l’éruption.
Lors des deux dernières éruptions sommitales du Kilauea, les fontaines de lave les plus hautes se sont produites au début de ces événements. Cependant, lors de l’éruption de 2018, les géologues ont dû attendre près d’un mois avant de pouvoir observer la plus haute fontaine car le volcan a d’abord émis un magma plus ancien et plus froid, donc moins propice aux fontaines de lave qui supposent une lave à haute température. .
La mesure de la hauteur d’une fontaine de lave pendant une éruption peut être effectuée avec quelques instruments simples et une trigonométrie de base.
Tout d’abord, les géologues mesurent les angles vers le haut et le bas de la fontaine. Cela peut sembler simple mais peut devenir délicat lorsque la base est difficilement visible ou lorsque le sommet de la fontaine est mal défini.
On entend par ‘sommet de la fontaine de lave’ la limite supérieure de la colonne telle que la voit un oeil humain. C’est le point où la plus grande partie de la lave cesse de monter avant de retomber au sol. Il ne faut pas prendre en compte les particules les plus hautes soulevées par le panache de gaz et qui montent jusqu’à plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de mètres au-dessus de la colonne de lave.
La base de la fontaine est facile à déterminer dès le début d’une éruption : c’est le point où la lave jaillit du sol. Même si les géologues arrivent rapidement sur le site éruptif, il est rare d’être présent au moment précis où s’ouvre une fracture, de sorte que la base peut déjà être cachée par des projections de lave et/ou des cendres qui se sont accumulées autour de la bouche active.
Pour effectuer les mesures d’angle, on a besoin d’un inclinomètre à main, d’un télémètre (laser ou optique) ou d’une application accessible sur son smartphone. Pour plus de facilité dans les calculs, les géologues du HVO mesurent toujours l’angle entre la hauteur de l’oeil et le haut de la fontaine, puis un deuxième angle entre la hauteur de l’oeil et le bas de la fontaine. De cette façon, peu importe où on se trouve par rapport à la fontaine
Il est important de tenir l’instrument de mesure au niveau des yeux et de ne pas le déplacer vers le haut ou vers le bas entre les deux mesures. C’est un peu comme si on utilisait un trépied.
Ensuite, les angles mesurés sont notés et les géologues utilisent la trigonométrie pour calculer les distances verticales pour chaque angle – autrement dit les hauteurs partielles pour chaque segment. La dernière partie du calcul consiste à additionner les deux hauteurs.
Pour connaître la distance jusqu’à la fontaine de lave, les géologues du HVO utilisent un télémètre laser précis qui mesure non seulement la distance, mais aussi l’angle, fait le calcul, puis indique la hauteur verticale.
Certaines applications pour smartphones peuvent calculer la distance si on connaît la hauteur d’un élément qui se trouve à proximité immédiate de la fontaine. Si les visiteurs du Parc National des Volcans d’Hawaii éprouvent le désir de mesurer les fontaines de lave, ils peuvent le faire depuis la nouvelle plateforme d’observation de Keanakākoʻi qui offre une vue sur le cratère. S’ils ont la chance de voir des fontaines de lave, ils peuvent les mesurer, ou ils peuvent simplement estimer la hauteur en sachant que le cône de projection (spatter cone) mesure environ 20 à 25 m de hauteur.
Source : USGS/HVO.

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One of the last episodes of the series « Volcano Watch » released by the Hawaiian Volcano Observatory is dedicated to lava fountains and the measuring of their height.

Because of the accumulated pressure of the gases, the onset of an eruption is frequently the most dynamic and vigorous period. One of the geologists’ first mission is to measure the height of lava fountains and other vent dimensions to help assess how energetic the eruption is.

In both recent summit eruptions of Kilauea Volcano, the highest fountaining occurred at the start of the eruptions. However, during the 2018 event, geologists had to wait nearly a month to observe the highest fountaining which took place nearly a month into the eruption due to the primary magma pushing out older, cooler magma.

Measuring the height of a lava fountain during an eruption can be accomplished with a few simple instruments and some basic trigonometry.

First, geologists measure the angles to the top and bottom of the fountain. This may seem simple, but it can get tricky when the base becomes obscured or when the top of the fountain has an indistinct boundary.

The top of the lava fountain is defined as the upper boundary of the optically dense column. This is where the vast majority of the lava stops rising and falls back to the ground. This is not to be confused with the highest visible particles, which could be lifted up by the gas plume several tens to hundreds of meters above the lava column.

The base is easy to determine right at the start of an eruption: it is where lava is erupting from the ground. Even though geologists arrive quickly, it is rare to be present exactly when a fissure opens, so the base might already be hidden as lava, spatter, and cinder accumulates around the vent area.

To make the angle measurements, you need either a hand-held inclinometer, compass, rangefinder (laser or optical), or even a handy app on your phone. To make the math easy, HVO geologists always measure the angle from their eye-height to the top of the fountain and then a second angle from their eye-height to the bottom of the fountain. This way no matter where you are in relation to the fountain

It is important to hold the instrument at eye level and not move the instrument up or down between the two measurements, as if you were usuing a tripod.

Second, these measured angles can then be taken and geologists use trigonometry to calculate the vertical distances for each angle — partial heights for each segment. The final part of the calculation is to add these two heights together.

To know the distance to the lava fountain, HVO geologists use an accurate laser range finder that not only measures the distance, but also the angle, does the math, and then reports back the vertical height.

Some smart phone apps can calculate the distance if you know the height of something immediately adjacent to the fountain. If visitors to Hawaii Volcanoes National Park are anxious to measure lava fountains, they can do it from the new Keanakākoʻi viewing area which allows a view into the crater. If they are lucky enough to see lava fountains, they can measure them, or they can simply estimate the height knowing that the spatter cone is about 20–25 m high.

Source: USGS / HVO.

 

En 1959, au cours de l’éruption du Kilauea Iki, les fontaines de lave ont atteint 580 mètres de hauteur (Crédit photo: USGS)

Les cristaux d’olivine du Kilauea (Hawaii) // The olivine crystals of Kilauea Volcano (Hawaii)

Les cristaux d’olivine – le minéral vert très répandu dans les laves hawaïennes – enregistrent quand et comment le magma se déplace à l’intérieur des volcans hawaïens avant les éruptions. Les géologues du HVO expliquent qu’ils peuvent utiliser ces cristaux comme des horloges pour mieux comprendre les événements qui ont précédé les éruptions sommitales du Kilauea en décembre 2020 et septembre 2021.
Les laves et leurs minéraux fournissent des indices sur l’histoire des magmas émis pendant les éruptions. Les récentes éruptions sommitales du Kilauea permettent aux scientifiques d’avoir « une fenêtre sur l’intérieur » du volcan et d’en savoir plus sur l’origine de la lave qui a percé le cratère de l’Halema’uma’u, et à quelle vitesse elle s’est déplacée vers la surface.
Les géologues mesurent la chimie des matériaux émis pour connaître la température du magma, pendant combien de temps il a séjourné à l’intérieur du volcan avant l’éruption, et si des magmas différents – plus anciens et plus froids – ont pu se mélanger au magma juvénile.
L’olivine est principalement composée d’éléments magnésium (Mg) et fer (Fe) ainsi que de silice. Le rapport entre Mg et Fe, également connu sous le nom de teneur en forstérite (Fo), peut donner des informations sur le magma dans lequel le cristal s’est développé.
Un taux de Mg plus élevé dans l’olivine (et donc un Fo plus élevé) signifie que les cristaux se sont développés dans des magmas plus chauds et généralement plus profonds. Au contraire, si la teneur en olivine Fo est faible, cela indique que les cristaux se sont développés dans un magma plus froid et généralement moins profond.
Après avoir recherché des cristaux d’olivine dans les matériaux émis par le Kilauea en décembre 2020 et septembre 2021, les scientifiques du HVO ont travaillé avec le laboratoire de microsonde électronique de l’Université d’Hawaï à Manoa pour photographier l’intérieur des cristaux d’olivine.
Ces images montrent que l’olivine récemment émise par le Kilauea peut être zonée, ce qui signifie que les noyaux des cristaux ont un Fo différent de celui de leurs bords. Cela correspond à un zonage normal dans lequel le Fo décroît de l’intérieur du cristal vers l’extérieur.
Le zonage normal des cristaux indique aux géologues qu’ils se sont d’abord développés dans une partie plus profonde et plus chaude du Kilauea, puis que leurs bords se sont développés plus tard après que le magma se soit déplacé vers une région moins profonde et plus froide.
La présence de cristaux zonés est intéressante pour le sommet du Kilauea. En effet, l’olivine du lac de lave qui était active de 2008 à 2018, avant l’effondrement du sommet, était généralement homogène, ce qui signifie qu’elle ne présentait aucun zonage.
Ces changements intervenus dans le Fo de l’olivine sont également intéressants à étudier car ils enregistrent en fait le temps mis par le processus de diffusion. Dans ce processus, les atomes de Mg du noyau d’olivine peuvent diffuser vers les bords au fil du temps pendant que l’olivine se trouve dans un magma chaud. En mesurant le changement de Fo du noyau au bord, puis en appliquant un modèle de ce changement, les géologues peuvent calculer combien de temps les cristaux sont restés au niveau le moins profond, là où les bords se sont développés avant d’entrer en éruption.
Les cristaux d’olivine de l’éruption de 2020 du Kilauea ont présenté des temps de diffusion d’environ 60 jours ou moins. Cela montre que les cristaux, qui à l’origine étaient logés profondément dans le volcan, se sont déplacés vers des régions peu profondes environ 60 jours avant leur éruption.
Environ 60 jours avant l’éruption du Kilauea en décembre 2020, le HVO a détecté fin octobre la première série d’essaims sismiques au cours de la période d’activité qui a conduit à l’éruption. Bien que l’essaim sismique initial se soit produit sous le terrain de camping de Nāmakanipaio, les temps de diffusion des cristaux d’olivine montrent que les séismes étaient peut-être le signe que le magma pénétrait à faible profondeur sous le sommet du Kilauea.
Au cours des prochaines semaines, les cristaux d’olivine de l’éruption du Kilauea qui a commencé le 29 septembre 2021 seront mesurés sur la microsonde électronique de l’Observatoire des Volcans de Californie. Les données seront ensuite modélisées pour calculer les échelles de temps à partir des «horloges» les plus récentes fournies par les cristaux. Cela permettra aux géologues de savoir si le même processus s’est répété cet automne ou si quelque chose de nouveau et de différent s’est produit avant la dernière éruption du Kilauea.
Source : USGS/HVO.

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Olivine crystals – the green mineral common in Hawaiian lavas – record when and where magmas move inside Hawaiian volcanoes before they erupt. HVO geologists explain that theye can use these little crystals like clocks to better understand the magmatic events leading to the December 2020 and September 2021 summit eruptions at Kilauea.

Lavas and their minerals erupted from Hawaiian volcanoes provide clues to the history of the magmas that are eventually erupted. Kilauea’s recent summit eruptions allow scientists to get “a glimpse inside” the volcano and the chance to learn more about where the magma that erupted in Halema‘uma‘u crater came from and how quickly it moved to the surface.

Geologists measure the chemistry of the erupted materials to find out how hot the magma was, how long it stayed inside the volcano prior to erupting at the surface, and how different magmas – older and cooler – might have mixed.

Olivine is primarily made of the elements magnesium (Mg) and iron (Fe) along with silica. The ratio of Mg and Fe, also known as the forsterite (Fo) content, can give information about the magma that the crystal grew in.

Higher Mg in olivine (and therefore higher Fo) means that crystals grew in hotter, and usually deeper, magmas. If the olivine Fo content is low, it tells us that crystals grew in a cooler, and usually shallower, magma.

After searching for olivine crystals in tephra erupted by Kilauea in December 2020 and September 2021, HVO scientists worked with the electron microprobe lab housed at the University of Hawaii at Manoa to take pictures of the insides of the olivine crystals.

These images show that Kilauea’s recently erupted olivine can be zoned, meaning that the cores of the crystals have different Fo than their rims. This corresponds to normal zoning where Fo decreases from the inside of the crystal to the outside.

Normal zoning in these crystals tells geologists that they first grew in a deeper, hotter part of Kilauea and then the rims of the crystals grew later after the magma had moved to a shallower, cooler region.

The presence of zoned crystals is interesting for Kilauea’s summit. Indeed, olivine from the lava lake that was active from 2008–2018, prior to the summit collapse, were typically homogeneous, meaning that they did not have any zoning.

These changes in olivine Fo are also special because they actually record time through a process called diffusion. In this process, Mg atoms from the olivine core can diffuse toward its rim over time while the olivine sits in a hot magma. By measuring the change in Fo from core to rim, and then applying a model of this change, geologists can calculate how long crystals sat at the shallower level where the rims grew before they erupted.

Kilauea’s 2020 olivine crystals have modeled diffusion times of about 60 days or less. This suggests that the crystals, which originally grew deeper in the volcano, moved up to shallow regions about 60 days before they erupted.

Around 60 days before Kilauea’s December 2020 eruption, HVO detected in late October the first set of earthquake swarms during the period of unrest leading to the eruption. Though the initial earthquake swarm occurred under Nāmakanipaio Campground, the modeled olivine crystal diffusion times suggest that the earthquakes could have been a sign that magma was intruding shallowly under Kilauea’s summit.

In the next few weeks, olivine crystals from Kilauea’s eruption that began on September 29th will be measured on the California Volcano Observatory’s electron microprobe. The data will then be modeled to calculate the timescales from these most recent “crystal clocks,” letting geologists know if the same process was repeated this Fall or if something new and different happened prior to the most recent eruption of Kilauea.

Source: USGS / HVO.

Dans ces images de cristaux mises en ligne par le HVO, on peut voir à gauche une vue au microscope de l’olivine émise lors de l’éruption du Mauna Loa en 1852.

Au centre, on a une vue grossie de l’intérieur d’une olivine prélevée pendant l’éruption du Kīlauea en décembre 2020, où les niveaux de gris indiquent l’abondance relative de fer (Fe). Le noyau plus foncé (noir à l’intérieur) de l’olivine est plus élevé en Mg (et donc avec une teneur en Fo plus élevée) que le bord plus clair (gris à l’extérieur). Ce cristal mesure environ 800 microns de diamètre.

À droite, on a une autre image électronique de l’olivine du 29 septembre 2021 qui présente, elle aussi, des changements dans la teneur en Fo entre le noyau et le bord. Ce cristal est plus petit, avec un diamètre de seulement 400 microns.

Images obtenues par la microsonde électronique de l’Université d’Hawaii à Manoa. (Source: HVO)

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Images of olivine from Hawaiian volcanoes:

Left: Green olivine from Mauna Loa’s 1852 eruption, viewed under a microscope.

Middle: Zoomed in image of the inside of an olivine from Kilauea’s December 2020 eruption, where grayscale indicates the relative abundance of iron (Fe). The darker core (black inside) of the olivine is higher in Mg (and a higher Fo content) than the lighter rim (gray outside). This crystal is approximately 800 microns across.

Right: Another electron image of olivine from 29 September 2021 that also has changes in Fo content between the core and rim. This crystal is smaller, only 400 microns across.

Images from the University of Hawai‘i at Mānoa electron microprobe. (Source: HVO)

Une bonne synthèse de l’éruption du Cumbre Vieja (La Palma) et une histoire d’olivine…

Si vous comprenez l’espagnol, je vous conseille de visionner la vidéo ci-dessous. Elle est bien illustrée, en particulier avec des images de drones. Santi Castañeda, un scientifique espagnol, présente un état des lieux de l’éruption du Cumbre Vieja.

Dans la vidéo, le scientifique décrit les minéraux contenus dans la lave vomie par le Cumbre Vieja. Selon des études et des analyses menées par l’Institut volcanologique des îles Canaries, la lave du volcan contient, entre autres matériaux, des cristaux d’olivine, un minéral considéré comme une pierre semi-précieuse et qui, en raison de sa beauté, est utilisé dans le fabrication de bijoux.
Un bijoutier explique que, comme il s’agit d’une pierre semi-précieuse, les orfèvres la présentent sur des montures en or et en argent, ce qui donne des pièces exclusives et représentatives de la région. On rencontre effectivement de beaux nodules de péridotite sur d’autres îles comme Lanzarote (voir photo ci-dessous)
Le bijoutier insiste sur le fait que « chacun des bijoux fabriqués dans les ateliers des Canaries et qui contient de l’olivine est dûment certifié comme une authentique gemme semi-précieuse volcanique ». C’est important car de fausses pierres synthétiques de la couleur de l’olivine sont également mises à la vente.
Il explique comment la fausse olivine est détectée : »Je m’assure, qu’il s’agit d’une véritable olivine, même si son origine n’est pas canarienne. Il existe de nombreux gisements sur la planète où l’on trouve le péridot, comme au Sri Lanka, en Amérique latine, en Inde… Sur le marché canarien, les contrefaçons sont très courantes. Les prix d’une olivine sculptée oscillent entre 40 et 300 € le carat.
Pour les bazars et autres marchands de souvenirs, il est difficile d’offrir un véritable bijou.Ils commercialisent donc la zircone de couleur « vert olivine » qui est une pierre synthétique avec une couleur injectée très similaire à l’olivine. Si l’on ne s’y connaît pas en pierres précieuses, il est difficile de distinguer le vrai du faux, mais si un touriste a la vraie et la fausse olivine devant vos yeux, il verra la différence. »

Nodule de péridotite à Lanzarote (Photo: C. Grandpey)

Une nouvelle approche des éruptions du Stromboli (Sicile) // A new approach to the eruptions of Stromboli (Sicily)

En lisant le journal La Sicilia, on apprend que les scientifiques ont utilisé une nouvelle approche et un nouvel algorithme pour analyser les données de surveillance du Stromboli. Cela a permis de mettre en évidence d’autres signaux et mécanismes possibles à surveiller au cours des phases d’activité du volcan..
Cette nouvelle approche est proposée par une étude intitulée « The 2019 Eruptive Activity at Stromboli Volcano: A Multidisciplinaire Approach to Reveal Hidden Features of the » Unexpected »3 July Paroxysm » [L’activité éruptive du Stromboli en 2019: Approche multidisciplinaire révélant les phénomènes cachés lors du paroxysme « inattendu » du 3 juillet]. L’étude a été récemment publiée dans la revue internationale de MDPI ‘Remote Sensing’.
L’étude, menée par une équipe de chercheurs de l’INGV en collaboration avec le professeur Roberto Scarpa de l’Université de Salerne et avec le professeur Carmelo Ferlito de l’Université de Catane, a été réalisée en analysant a posteriori les signaux qui ont précédé le paroxysme du 3 juillet 2019 sur le Stromboli..
L’un des auteurs de l’étude indique qu’« en observant d’un point de vue nouveau les données qui sont normalement acquises sur le Stromboli par les réseaux de surveillance multiparamétriques, nous avons pu reconstituer la séquence d’activité qui a précédé l’événement du 3 juillet 2019. » En analysant l’ensemble des données disponibles (données géodésiques, satellitaires, caméras, données thermiques et de déformation du sol acquises grâce à des instruments de haute précision), les chercheurs ont découvert de possibles changements dans le comportement du volcan qui pourraient être mis en évidence dans les instants précédant immédiatement la crise paroxystique.
Selon un autre auteur de l’étude, « des paroxysmes comme celui du 3 juillet sont particulièrement dangereux car ils produisent des signaux extrêmement difficiles à interpréter : nombre d’explosions ou d’événements VLP, ou d’événements sismiques à basse fréquence typiques des volcans actifs, qui ne subissent pas une augmentation significative dans les phases précédant un paroxysme. À partir de ces considérations, nous nous sommes concentrés sur certains paramètres spécifiques, tels que les signaux haute fréquence enregistrés par les dilatomètres, capteurs placés dans un forage profond d’environ 200 mètres sous la surface et qui mesurent les plus petites variations de déformations du sol. Nous avons remarqué que ces signaux correspondaient en fait aux signaux VLP enregistrés par les sismographes, mais ils avaient une forme d’onde spécifique qui, avant le 3 juillet, a brusquement changé.»
De plus, les images prises par les caméras de surveillance présentes à Stromboli ont été réanalysées à l’aide d’un algorithme automatique. Ce faisant, les chercheurs ont remarqué une augmentation de l’intensité et de l’énergie des explosions du volcan à partir d’environ un mois avant le paroxysme de début juillet.

Les scientifiques pensent que cette approche et le modèle proposé peuvent être très prometteurs pour le suivi éruptif du Stromboli.

Source: INGV, La Sicilia.

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Reading the newspaper La Sicilia, we learn that scientists have used a new approach and a new algorithm to analyze Stromboli surveillance data. This made it possible to highlight other possible signals and mechanisms to be monitored during the phases of the volcano’s activity.
This new approach is proposed by a study entitled « The 2019 Eruptive Activity at Stromboli Volcano: A Multidisciplinary Approach to Reveal Hidden Features of the » Unexpected « 3 July Paroxysm. » It was recently published in MDPI’s international journal ‘Remote Sensing’.
The study, carried out by a team of INGV researchers in collaboration with Professor Roberto Scarpa from the University of Salerno and with Professor Carmelo Ferlito from the University of Catania, was carried out by analyzing a posteriori the signals that preceded the paroxysm of July 3rd, 2019 on Stromboli.
One of the authors of the study indicates that « by observing from a new point of view the data which are normally acquired on Stromboli by multiparametric monitoring networks, we were able to reconstruct the sequence of activity that preceded the event of July 3rd, 2019.” By analyzing all the available data (geodetic, satellite, cameras, thermal and soil deformation data acquired using high-precision instruments), the researchers discovered possible changes in the behavior of the volcano that could be highlighted in the moments immediately preceding the paroxysmal crisis.
According to another study author, “paroxysms like the one on July 3rd are particularly dangerous because they produce signals that are extremely difficult to interpret: number of explosions or VLP events, or low frequency seismic events typical of active volcanoes, which do not undergo a significant increase in the phases preceding a paroxysm. From these considerations, we focused on some specific parameters, such as the high frequency signals recorded by dilatometers, or sensors placed in a deep borehole about 200 meters below the surface and which measure the smallest variations in soil deformations. We noticed that these signals actually matched the VLP signals recorded by the seismographs, but they had a specific waveform that suddenly changed before July 3rd. ”
In addition, the images taken by the surveillance cameras present at Stromboli were reanalyzed using an automatic algorithm. In doing so, the researchers noticed an increase in the intensity and energy of the volcano’s explosions from about a month before the peak in early July.
Scientists believe that this approach and the proposed model may be very promising for the eruptive monitoring of Stromboli.
Source: INGV, La Sicilia.

L’éruption du 3 juillet 2019 (Crédit photo: ANSA)